LOG104在Wheatston應(yīng)變測(cè)量橋路中的應(yīng)用

在直流不平衡Wheatston應(yīng)變橋路中，橋源產(chǎn)生的誤差主要包括：

1．橋源失調(diào)造成的誤差
這個(gè)誤差與恒壓源本身的性質(zhì)有關(guān)，具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，不同型號(hào)的恒壓源失調(diào)特點(diǎn)也不盡相同，一般工業(yè)測(cè)量中提供的恒壓源誤差在幾十毫伏之間，如果直接采用DC-DC模塊作為橋源其誤差可能達(dá)到百毫伏量級(jí)，這么大的失調(diào)將在輸出信號(hào)中產(chǎn)生嚴(yán)重的失調(diào)誤差。假設(shè)橋源保守失調(diào)值，那么它將在靈敏度K = 2，理論橋壓，應(yīng)變計(jì)電阻，應(yīng)變的應(yīng)變?nèi)珮螂娐分挟a(chǎn)生輸出電壓

這個(gè)值相當(dāng)于10個(gè)微應(yīng)變所產(chǎn)生的信號(hào)，可見(jiàn)其影響的程度。并且由此造成的直接輸出誤差為

這對(duì)于高精度傳感器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是絕對(duì)不能允許的。由于此橋源失調(diào)誤差直接由橋源本身特性決定，因此，在傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中難以完全抵消。如果采取高穩(wěn)壓橋路供壓則勢(shì)必會(huì)增大測(cè)量電路體積，增加對(duì)加工工藝、環(huán)境因素的限制，帶來(lái)應(yīng)用上的不便。

2．傳輸線電阻造成的誤差
由于橋源與應(yīng)變橋之間的導(dǎo)線存在電阻，當(dāng)這個(gè)阻值大到一定程度時(shí)，將對(duì)測(cè)量輸出產(chǎn)生嚴(yán)重影響。對(duì)于每米電阻值 的導(dǎo)線，當(dāng)傳輸線總長(zhǎng)為20m時(shí)，將使實(shí)際供橋橋壓下降，由此造成的輸出誤差為

3．恒壓源溫度漂移及環(huán)境因素對(duì)恒壓源影響造成的誤差
因?yàn)樵诠I(yè)現(xiàn)場(chǎng)，橋路的工作環(huán)境飽含大量電磁輻射、熱輻射、振動(dòng)、粉塵等惡劣因素，這些都加劇了恒壓源的不穩(wěn)定特性。由此造成的輸出誤差e_E 不亞于橋源失調(diào)所造成的影響。

綜合上面幾點(diǎn)，因?yàn)闃蛟从绊懽顗乃茉斐傻恼w誤差為

這對(duì)于要求較高精度的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，一般恒壓源顯然不能滿足應(yīng)用要求，必須采用高精度恒壓源作Wheatston電橋橋源。但是，由于許多應(yīng)用場(chǎng)合限制了高精度恒壓源的使用，例如，用于旋轉(zhuǎn)體上扭矩測(cè)量的電阻應(yīng)變式扭矩儀，其隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)器件的電源供應(yīng)多采取AC-DC方式供給，由此產(chǎn)生的直流電壓很難直接用作橋源，必須采取高精度補(bǔ)償調(diào)整電路，不僅增加了成本，也增大了電路的體積和設(shè)計(jì)復(fù)雜度，有悖于測(cè)量?jī)x器小型化的要求。因此，濾除橋源影響，將橋源誤差歸一到后續(xù)處理電路中，將直接提高測(cè)量?jī)x器的精度和降低電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高儀器的可靠性。

利用對(duì)數(shù)法消除橋源影響
利用LOG104優(yōu)良的對(duì)數(shù)運(yùn)算特性，將Wheatston電橋橋源引出一端接I1作為LOG104的參考輸入，應(yīng)變橋輸出接I2作為LOG104的測(cè)量輸入，當(dāng)I1、I2的輸入范圍在1nA~100uA變化時(shí)，分別在I1、I2端串接 、 電阻限流，可保證5V橋源供電、最大應(yīng)變?yōu)?000個(gè)微應(yīng)變、靈敏度為2的Wheatston橋路測(cè)量使用，其測(cè)量電路設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 Wheatston應(yīng)變電橋測(cè)量電路

其中

α、β分別為I₁、I₂的輸入上下限電流值。

這里采用凌特公司高精度儀用運(yùn)放LTC2053作為應(yīng)變橋測(cè)量前置電路處理芯片^[4]。該運(yùn)放精密度極高，供電電壓范圍從2.7V至11V，失調(diào)電壓小于10uV，偏壓漂移小于50nV/℃，共模抑制比(CMRR)大于116dB，增益誤差小于0.01%，增益非線性度小于10ppm，與其它相似器件相比具有極佳的性能價(jià)格比，如表2所示。